西安地裂縫勘察特殊情況探討

王富輝 徐張建 燕建龍 王永剛 趙治海

（西北綜合勘察設(shè)計研究院，陜西西安 710003）

0 引言

西安地裂縫是一種特殊的城市地質(zhì)災(zāi)害，在工程建設(shè)中也是一種特殊的巖土工程問題[1-2]。在涉及西安地裂縫的工程場地進行規(guī)劃設(shè)計前應(yīng)進行地裂縫勘察，為設(shè)計提供場地內(nèi)的地裂縫展布資料，以確定建筑物對地裂縫的避讓距離及選擇適宜的基礎(chǔ)型式[3]。

目前對于《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》(DBJ 61-6-2006)[4]及修訂版的《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》（DBJ 61/T 182-2021）[5]規(guī)定的相對簡單的一、二、三類地裂縫場地，西安地裂縫勘察已有成熟經(jīng)驗，但還存在一些復(fù)雜、特殊的地裂縫場地，對于這些復(fù)雜、特殊場地內(nèi)的地裂縫勘察，目前還沒有成熟的判別標準，地裂縫勘察難度較大。因此，對西安地裂縫勘察時特殊情況予以歸納總結(jié)和探討很有必要，以期達到總結(jié)規(guī)律、統(tǒng)一勘察判別標準、指導(dǎo)以后西安地裂縫的勘察工作。

1 西安地裂縫特征

西安市地處渭河盆地中央的西安凹陷區(qū)[6-7]，處于幾個構(gòu)造體系的復(fù)合部位，區(qū)內(nèi)分布的斷裂主要有：南側(cè)的臨潼-長安斷裂，北側(cè)的渭河斷裂，東側(cè)的浐河斷裂、灞河斷裂及浐灞河斷裂，西側(cè)的皂河斷裂、灃河斷裂以及次一級的小斷裂。西安區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為隱伏斷裂構(gòu)造，按其走向可分為EW 向、NE 向和NW 向三組。臨潼-長安斷裂見圖1。

圖1 臨潼-長安斷裂

20 世紀70 年代以來，通過對西安地裂縫的不斷研究，先后提出了抽水成因[6-7]、構(gòu)造成因[8-9]及復(fù)合成因[10-12]，到現(xiàn)階段對其成因及形態(tài)基本形成了統(tǒng)一的認識，即西安地裂縫是在過量開采承壓水，產(chǎn)生不均勻地面沉降的條件下，臨潼-長安斷裂帶（FN）西北側(cè)（上盤）一組北東走向的隱伏地裂縫出現(xiàn)活動，在地表形成的破裂。門玉明等[13]提出了西安地裂縫的剖面結(jié)構(gòu)特征、活動趨勢與工程壽期內(nèi)的位錯量預(yù)測等幾個重要的科學(xué)問題；黃強兵等[14]對西安地裂縫的基本特征及活動趨勢進行了分析；鄧亞虹等[1]以渭河盆地為原型，采用有限元數(shù)值分析方法，分析了基底伸展作用下盆地淺表層巖土介質(zhì)和多級破裂系統(tǒng)的應(yīng)力和變形響應(yīng)特征，并揭示了基底伸展變形與該區(qū)域地裂縫之間的成因關(guān)系；宋彥輝等[15]論述了西安地裂縫勘察場地類型的劃分，并分析了三類勘察場地隱伏地裂縫識別存在的問題；王衛(wèi)東等[16]分析研究了渭河盆地及鄰區(qū)介質(zhì)品質(zhì)因子分布、震源機制解與應(yīng)力場和形變場特征。慕煥東等[17]以西安地裂縫為研究對象，基于室內(nèi)振動臺試驗及FLAC3D數(shù)值模擬，分析了地裂縫場地動力響應(yīng)中的加速度幅值動力響應(yīng)特征；胡 鵬[18]利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射功能和自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力實現(xiàn)了對災(zāi)害活動的預(yù)測；田中英等[19]在西安市大寨路附近開展了地裂縫地球物理多方法聯(lián)合勘探研究，并根據(jù)區(qū)內(nèi)地裂縫的展布特征推測其形成的主要原因有兩種；聶智亞[20]探討了西安市地裂縫災(zāi)害的特征和成因分類，用模糊綜合評判法對地裂縫災(zāi)害進行了危險性評價；易學(xué)發(fā)等[21]利用實地觀察和測量資料描述了西安地裂縫的基本特征，認為西安市區(qū)超采地下承壓水導(dǎo)致地面大幅度下沉是西安地裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的主要原因。

西安地裂縫是構(gòu)造運動加劇時期的產(chǎn)物，分布在臨潼-長安斷裂西北側(cè)（上盤），西安斷陷的東南邊緣地區(qū)，西安地裂縫的形成受其南側(cè)臨潼-長安斷裂控制。西安地裂縫總體傾向東南，與臨潼-長安斷裂帶傾向相反，剖面上呈“Y”字型，見圖2。西安斷層組屬西安地區(qū)與秦嶺山前臨潼-長安斷裂的次級派生斷裂，走向北東，南傾，切斷了晚更新世黃土層底部的古土壤層。該斷層組是西安地裂縫發(fā)育的基礎(chǔ)，西安地裂縫是該斷層組的地表反映，形成了特有的黃土梁洼地貌，也反映了西安地裂縫與黃土梁洼地貌的構(gòu)造同源性。

圖2 西安地裂縫成因模式圖

20 世紀70 年代以來，地裂縫活動的加劇與同一時期華北和西南地區(qū)的地震有關(guān)，并且受到西安地區(qū)過量開采地下深層承壓水產(chǎn)生的地面沉降影響。20世紀90 年代以前，西安市城市用水全部取自地下水，而且城郊和許多單位尚有數(shù)百口自備井，集中開采埋深100～300 m 的深層承壓水。由于長期過量抽汲同一層位的承壓水，使區(qū)域水位下降，由此引發(fā)了深層承壓含水層的壓密，使該時期內(nèi)抽水引起的地面沉降量大于構(gòu)造活動的沉降量，出現(xiàn)了嚴重的地面沉降，并加劇了西安地裂縫的發(fā)展（見圖3）。

圖3 地裂縫控水示意圖

迄今為止，西安地區(qū)已查明的地裂縫主要有13 條，包含主裂縫及其次生裂縫，自北向南依次編號為f1-f13，表現(xiàn)為與西安斷層組構(gòu)造同源的黃土梁洼地貌特點（見圖4）。自渭河南岸二級階地開始，由北向南各條地裂縫之間的距離逐漸減小，在靠近臨潼-長安斷裂的長安區(qū)轄區(qū)內(nèi)地裂縫分布較密集，近臨潼-長安斷裂的區(qū)域內(nèi)地表淺層微破裂增多，亦表現(xiàn)為受臨潼-長安斷裂構(gòu)造控制的特點。

圖4 西安地裂縫分布示意圖

西安地裂縫的展布方向主要為NE-NEE 向，傾向SE，傾角約在70°～90°之間。受早期構(gòu)造活動強弱及人工開采深層地下水等因素的影響，各條地裂縫的發(fā)展及活動速率不同，表現(xiàn)為古土壤等標志層的垂直錯斷斷距各異。地裂縫對地表建（構(gòu)）筑物的破壞表現(xiàn)為建筑物開裂變形、地面及道路破裂、管道（溝）變形或錯斷等，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

2 西安地裂縫的一般勘察方法

自1976 年唐山大地震后，伴隨著工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，工程技術(shù)人員及研究人員對西安地裂縫的認識不斷深入，有關(guān)西安地裂縫的勘察方法逐漸成熟[22-23]，形成了西安地裂縫勘察的地方標準，于2006年發(fā)布了《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》(DBJ 61-6-2006)[4]，并于2021 年經(jīng)修訂后發(fā)布了新版《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》(DBJ 61/T 182-2021)[5]（以下簡稱《規(guī)程》）。

《規(guī)程》基本確立了以現(xiàn)場調(diào)查、鉆探、槽探、人工淺地震反射波法為主，輔以建筑物及地面變形監(jiān)測的西安地裂縫勘察方法。

《規(guī)程》根據(jù)地裂縫場地勘探標志層的不同，將地裂縫場地分為一、二、三類，并規(guī)定了各類場地地裂縫勘察的勘探精度修正值（Δk）。

（1）一類場地：符合以下全部條件的地裂縫場地稱為一類場地，地表破裂為一類場地的勘探標志層（簡稱一類標志層）。

①場地內(nèi)的地裂縫是活動的，在地表層已形成破裂；

②地表破裂具有清晰的垂直位移，地面呈臺階狀；

③斷續(xù)或連續(xù)的地表破裂延伸距離較長；

④地表破裂位置與錯斷上更新統(tǒng)或中更新統(tǒng)隱伏的地裂縫位置相對應(yīng)。

（2）二類場地：地表無破裂時，符合以下全部條件的地裂縫場地稱為二類場地。上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)紅褐色古土壤是二類場地的勘探標志層（簡稱二類標志層）。

①場地內(nèi)的地裂縫現(xiàn)今沒有活動，或活動產(chǎn)生的地表破裂已被人類工程活動掩埋；

②場地內(nèi)埋藏有上更新統(tǒng)或中更新統(tǒng)紅褐色古土壤。

（3）三類場地：不符合一類場地、二類場地條件的地裂縫場地都屬于三類場地。三類場地的勘探標志層有以下三種（簡稱三類“相對標志層”）：

①埋藏深度40 m 以下的中更新統(tǒng)湖相地層；

②埋藏深度60 m 以下可連續(xù)追蹤的多個人工地震反射層；

③埋藏深度40 m 以上的浐灞河階地全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)粗粒相地層。

3 西安地裂縫勘察特殊情況

西安市地處渭河盆地中央的西安凹陷區(qū)，受臨潼-長安斷裂、渭河斷裂的影響及地表河流的沖蝕、搬運堆積及改造，西安地裂縫分布區(qū)的地貌單元較多，有黃土梁洼，渭河一、二、三級階地，浐灞河河床、漫灘、一、二、三級階地，皂河一、二、三級階地等。在實際工程場地中，大部分屬于單純的一、二、三類地裂縫勘察場地，但隱伏狀通過的地裂縫工程場地有時較復(fù)雜，有的工程場地跨不同的地貌單元，有的工程場地表象為二類地裂縫勘察場地而實際應(yīng)屬三類地裂縫勘察場地，有的工程場地盡管屬三類地裂縫勘察場地，但后期在地表或近地表有規(guī)律性的地裂縫出露形跡，也有的工程場地地裂縫兩側(cè)地下水位明顯異常等。根據(jù)大量的地裂縫勘察工程實例，對上述幾種特殊情況分別予以歸納和探討。

3.1 二類地裂縫勘察場地的上更新統(tǒng)（Q3）古土壤垂直錯斷不明顯

依據(jù)《規(guī)程》，有些工程場地看似屬二類地裂縫勘察場地，但二類標志層-上更新統(tǒng)（Q3）古土壤垂直錯斷不明顯，垂直斷距大多小于1.0 m，且無中更新統(tǒng)（Q2）古土壤作為二類標志層。在這種地裂縫勘察場地條件下，應(yīng)首先采用人工淺地震反射波法初步確定深部地層的大致異常位置，再用內(nèi)插鉆孔法進行深孔（孔深60～80 m）勘探確定深部40～80 m 的中更新統(tǒng)湖相地層（三類標志層）錯斷位置，此時布置的勘探孔間距不宜大于10 m；然后在已確定三類標志層錯斷位置的相鄰兩鉆孔之間繼續(xù)采用內(nèi)插鉆孔法進行淺孔勘探，孔深以確認穿透二類標志層-上更新統(tǒng)（Q3）古土壤為準，此時布置的勘探孔間距不宜大于4 m，以保證地裂縫勘探精度修正值（Δk）不小于2 m 的要求；最后將分別確定的三類標志層和二類標志層錯斷位置連線，并根據(jù)西安地裂縫南傾的特點向北側(cè)地表投射，從而獲得地裂縫地面坐標點及實際地裂縫傾角等展布特征。根據(jù)大量的工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)，實際地裂縫傾角在70°～90°之間。

以在浐河三級階地勘察隱伏狀的西安地裂縫f13為例，二類標志層-上更新統(tǒng)（Q3）古土壤垂直錯斷不明顯，垂直斷距僅為0.95 m，三類標志層-中更新統(tǒng)（Q2）的沖積卵石層錯斷明顯，垂直斷距為5.99 m。將分別確定的三類標志層和二類標志層錯斷位置連線及推延，可得到勘探精度修正值（Δk）為2 m 的較準確的地裂縫地面坐標點及實際地裂縫傾角（約87°）。浐河三級階地f13地裂縫典型剖面見圖5。

圖5 浐河三級階地f13 地裂縫典型剖面

3.2 疑似二類地裂縫場地

西安市西南郊大部分場地地貌單元屬皂河一、二級階地，歷史上皂河擺動幅度較大，形成了較寬廣的一、二級階地及其交互區(qū)，大部分場地二類標志層-上更新統(tǒng)（Q3）古土壤以上的黃土層遭受了不同程度的沖蝕、搬運和堆積，改造后形成黃土狀土，局部形成窩狀砂類土堆積。尤其皂河一級階地最為典型，在這種場地內(nèi)的上更新統(tǒng)（Q3）黃土及古土壤均遭受了皂河改造，但搬運距離較短，表現(xiàn)為疑似古土壤層存在，且該層層厚、埋深等規(guī)律性也較強。在這種場地進行地裂縫勘察時，極易將經(jīng)改造搬運后的次生古土壤層作為二類場地的標志層-上更新統(tǒng)（Q3）古土壤，從而誤導(dǎo)了勘察人員。現(xiàn)場進行地層鑒別時，應(yīng)區(qū)分清楚原生古土壤層和這種搬運改造后的古土壤層兩者之間的區(qū)別：原生古土壤系風(fēng)積成因，顏色為淺褐紅-棕黃-棕-棕紅色，土質(zhì)均勻，具有塊狀結(jié)構(gòu)、不同程度的含鈣質(zhì)淋濾條紋，底部形成厚度不一的鈣質(zhì)富集呈鈣板，在同一個場地內(nèi)的顏色和結(jié)構(gòu)性變化較??；而搬運改造后的古土壤層，準確地判定應(yīng)為第四系全新統(tǒng)沖洪積黃土狀土或粉質(zhì)黏土，系河流沖洪積成因，顏色不均一，土質(zhì)較雜亂，可見河流搬運作用形成的異性團粒狀結(jié)構(gòu)，若將之浸入清水中清洗后可見砂顆粒等河流搬運改造痕跡。

在類似場地進行地裂縫勘察時，不可將搬運改造后的古土壤層作為二類場地的標志層，應(yīng)進行深孔（孔深60～80 m）勘探，并以40～80 m 的中更新統(tǒng)湖相地層（三類標志層）作為地裂縫判別依據(jù)。

3.3 二、三類地裂縫勘察場地交匯地段

根據(jù)許多工程實例，在二、三類地裂縫勘察場地交匯地段，即在上更新統(tǒng)（Q3）古土壤層缺失與否的交匯地段，地裂縫多沿二、三類地裂縫勘察場地交匯地段展布。例如：在皂河一、二級階地交匯地段，地裂縫南側(cè)的二類標志層-上更新統(tǒng)（Q3）古土壤普遍遭受河流沖刷剝蝕后，再自下而上依次堆積全新統(tǒng)（Q4）粉質(zhì)黏土和黃土狀土，局部堆積砂類土層；而地裂縫北側(cè)的二類標志層-上更新統(tǒng)（Q3）古土壤遭受河流沖刷剝蝕程度較輕或基本未遭受剝蝕。地裂縫在該位置通過時，表現(xiàn)為三類標志層錯斷及斷距非常明顯，二類標志層靠近地裂縫錯斷處亦有錯斷（見圖6）。此類場地應(yīng)先用內(nèi)插鉆孔法進行深孔勘探確定三類標志層的錯斷位置，此時布置的勘探孔間距不宜大于10 m；再在兩個揭露三類標志層錯斷的勘探孔之間采用內(nèi)插鉆孔法逐漸縮小間距進行淺孔勘探，原則以查明二類標志層-上更新統(tǒng)（Q3）古土壤的錯斷及滿足地裂縫勘探精度修正值（Δk）不小于2 m的要求為準；最后將分別確定的三類標志層和二類標志層錯斷位置連線，并根據(jù)西安地裂縫南傾的特點向北側(cè)地表投射，從而獲得地裂縫地面坐標點及實際地裂縫傾角等展布特征。

圖6 皂河一、二級階地交匯地段f11 地裂縫典型剖面

類似皂河一、二級階地交匯地段的地裂縫場地還有：浐灞河一、二級階地交匯地段，灃河一、二級階地交匯地段等，以上場地均可參照上述勘察方法開展場地地裂縫勘察工作。

3.4 三類場地隱伏狀地裂縫在近地表有出露跡象

在地裂縫呈隱伏狀通過的三類場地，一般以三類標志層-中更新統(tǒng)（Q2）湖相地層的錯斷來查找地裂縫錯斷位置。但有些三類場地內(nèi)（例如皂河一級階地、灃河一級階地、浐灞河一級階地等），因地裂縫早期活動變形后，有些地段在地表已形成破裂，而后來由于人類活動等將這些變形部位（或破裂）破壞或覆蓋使之難以被發(fā)現(xiàn)，而后期在地表水體或降雨的作用下，這些變形或破裂又顯露出來，多表現(xiàn)為沿地裂縫延展方向的串珠狀漏斗、沖蝕土洞等形態(tài)，也有部分表現(xiàn)為由分選性較差的砂類土充填的裂隙或豎向羽狀劈裂密集發(fā)育等形態(tài)（見圖7）。這些異常形態(tài)是深部上更新統(tǒng)（Q3）及中更新統(tǒng)（Q2）地層的錯斷反映，若同一區(qū)域內(nèi)根據(jù)三類標志層基本確定了隱伏地裂縫的位置，在此基礎(chǔ)上通過開挖探槽也能尋找到有規(guī)律性的類似異常形態(tài)，且基本與地裂縫展布方向一致時，則可作為隱伏地裂縫在地表或近地表出露的形跡，作為地裂縫地面坐標點指導(dǎo)場地內(nèi)的規(guī)劃建設(shè)，從而提高地裂縫勘探精度。

圖7 皂河一級階地f8 地裂縫近地表砂窩

3.5 地裂縫兩側(cè)地下水水位異常

西安地區(qū)淺層地下水主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于黃土梁洼區(qū)的黃土類土層中或各河流階地區(qū)的沖洪積黃土狀土、粉質(zhì)黏土及砂類土層中，地下水水位在有限范圍的場地內(nèi)一般較規(guī)律，無較大的起伏變化。

但在許多地裂縫勘察場地內(nèi)，發(fā)現(xiàn)地裂縫兩側(cè)地下水水位異常，一般表現(xiàn)為地裂縫上盤（南盤）的地下水水位高于下盤（北盤）的，個別場地內(nèi)地裂縫兩側(cè)的地下水水位高差可達7～8 m，如圖4 中所示皂河一、二級階地交匯地段的f11地裂縫兩側(cè)的地下水水位相差約7.4 m。原因在于地裂縫錯斷的破碎帶處地層拖曳變形，形成豎向相對隔水層（暗壩），阻斷了兩側(cè)的地下水水力聯(lián)系。尤其是地裂縫的上盤（南盤）靠近地裂縫處的地層遭受錯斷影響較強，多被拖曳變形呈多級微臺階狀，土層中的水平、豎向裂隙及節(jié)理被擠密破壞，地下水沿水平及垂直方向不能暢通流動，而西安地區(qū)的地下水流向基本上由東南流向西北，當東南方向的地下徑流流向地裂縫場地內(nèi)時，在地裂縫破碎帶處形成水阻，導(dǎo)致在地裂縫上盤（南盤）地下水水位上升，相對應(yīng)下盤（北盤）地下水水位下降。

在此類場地進行地裂縫勘察時，作為地裂縫勘察的一種有效輔助手段，可加強鉆探期間的地下水初見及穩(wěn)定水位觀測精度。為觀測到準確的地下水水位，鉆探完畢后應(yīng)及時用清水循環(huán)沖洗鉆孔內(nèi)的泥漿，有條件時可設(shè)置專門的水位觀測孔。

4 結(jié)論

鑒于西安地裂縫分布區(qū)的地貌單元較多，地層分布復(fù)雜多變，通過對西安地裂縫勘察時幾種特殊情況予以歸納總結(jié)和探討，得出如下地裂縫勘察研究結(jié)果。

（1）對于二類地裂縫勘察場地，若上更新統(tǒng)（Q3）古土壤垂直錯斷不明顯，首先采用人工淺地震反射波法，再依次采用內(nèi)插鉆孔法進行深孔、淺孔勘探分別確定三類標志層和二類標志層的錯斷位置，最后將兩類標志層的錯斷位置連線，獲得地裂縫展布特征。

（2）對于疑似二類地裂縫場地，應(yīng)辨別清楚河流搬運改造后的古土壤層，并進行深孔勘探，以三類標志層作為地裂縫判別依據(jù)。

（3）對于二、三類地裂縫勘察場地交匯地段，首先采用內(nèi)插鉆孔法進行深孔勘探確定三類標志層的錯斷位置，再在近地裂縫的北側(cè)采用內(nèi)插鉆孔法進行淺孔勘探，以提高地裂縫勘探精度。

（4）對于三類場地隱伏狀地裂縫，若在近地表有出露跡象，應(yīng)先根據(jù)三類標志層基本確定隱伏地裂縫的位置，再通過開挖探槽尋找近地表有規(guī)律性的地裂縫變形或破裂異常形態(tài)，若其基本與地裂縫展布方向一致時，可作為隱伏地裂縫在地表或近地表出露的形跡，從而提高地裂縫勘探精度。

（5）對于地裂縫兩側(cè)地下水水位異常的地裂縫勘察場地，除一般勘探方法外，可加強鉆探期間的地下水初見水位及穩(wěn)定水位觀測精度，必要時可設(shè)置專門的水位觀測孔。